微型自复叠制冷系统性能的实验研究

马泽昆，张华，刘煜森，栾逸娴

（1-上海理工大学制冷及低温工程研究所，上海 200093；2-青岛唐岛恒元能源有限公司，山东青岛 266000）

0 引言

自动复叠制冷循环（Auto-cascade Refrigeration Cycle，ARC）是-40 ℃至-160 ℃温区的一种重要制冷方式，这种制冷系统采用多元混合工质，经一次压缩，通过自动分离、多级复叠的方法，使非共沸的混合工质实现复叠，使沸点最低的制冷剂进入蒸发器，达到制取低温的目的。

ARC使用一台压缩机，结构简单、性能可靠。通过选择合适的制冷剂组成，可以获得广阔的制冷温度区间，特别适用于小型低温装置，广泛应用于生物医药、低温电子和军工等领域[1-2]，同时可以使用低全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）绿色混合工质，满足环保要求[3-4]。潘垚池等[5]对气液分离器温度偏低、蒸发器制冷量过小等问题进行了分析论证。马冰奇等[6]通过换热模拟，验证了自复叠系统中R410a替代R22的可能性。肖丽媛等[7]、芮胜军等[8]和张庆庆等[9]研究了混合工质配比、汽液相平衡及自复叠运行过程的特性等。陈秋燕[10]对自复叠中气液分离器进行了模拟，并提出了提高分离效果的方法。

目前，得益于微电子机械系统的快速发展，制冷设备得以实现微型化和轻量化。微型制冷系统具有体积小、重量轻和便携性强等特点，其开发与应用在越来越多的行业中受到重视。微型制冷系统主要部件有微型压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器等，其中微型压缩机是整个系统的核心[11]。目前，国内外开发并投入应用的主要有线性式和转子式两种。美国Aspen公司研制开发了一系列微型转子式压缩机，Sunpower公司和Embraco公司开发了微型线性压缩机；我国在微型压缩机的开发方面起步较晚，商业化方面，有部分国内企业可以提供产品，但由于制造工艺和加工水平有限，相比国外产品仍有差距。2012年，周树光等[12]研制并委托某公司加工出配有无刷直流电机的滚动转子式微型压缩机，压缩机重 0.6 kg，气缸半径 15.0 mm，转子半径12.6 mm，气缸厚度17.8 mm。上海日立电器有限公司研制开发了一款单缸微型滚动转子式制冷压缩机[13]，该压缩机应用了一体式机架的结构和激光焊接的新技术，经ASHRAE工况测试，具有噪声小、振动低、效率高的特点。薛卫东等[14]介绍了对微型二氧化碳压缩机的开发，解决了压缩机冷却、润滑等关键问题。

微型压缩机用于低温冷却的研究较少，闫彪等[15]将Aspen微型压缩机应用于混合工质J-T节流制冷器，实验系统运行 16 min，冷头温度降到190 K左右。但是，由于微型压缩机发热量太大，压缩机外壳温度迅速升高，导致系统连续运行能力较差。

本文采用微型转子式压缩机，搭建了一套微型自动复叠实验系统，并从系统降温特性和压缩机运行特性方面对系统进行了分析研究。

1 实验系统

实验系统由制冷系统和数据采集系统组成。微型自动复叠制冷系统示意图如图1所示。制冷系统由微型压缩机、冷凝器、气液分离器、节流装置、冷凝换热器以及蒸发器组成。由压缩机排出的高温高压的气态非共沸制冷剂经风冷冷凝器冷却后，以气液混合物的状态进入气液分离器，其中，气相制冷剂中低沸点制冷剂占比大于分离器进口气液混合物中低沸点的制冷剂占比，而液相制冷剂中高沸点制冷剂占比要高于低沸点制冷剂。气相制冷剂经过冷凝蒸发器后，冷凝为液态制冷剂，之后经过节流装置，进入蒸发器吸热制冷；液相制冷剂节流后与来自蒸发器的低温制冷剂混合，进入冷凝蒸发器冷却气相制冷剂后返回压缩机，完成制冷循环。

实验选用KTN微型全封闭转子式压缩机，压缩机型号为KTN-VH1924。压缩机高9 cm，重量0.72 kg，排气量 1.9 cc/rev，驱动电压 DC 24 V，润滑油型号为RH-32H，最大压缩比为8，最高排气温度限制为120 ℃，噪声等级48 dB。本实验采用模拟定压指令控制转速，电压与转速为直线对应关系，0～0.5 V对应停机，0.7 V～5 V对应转速(2,000～6,000) r/min。

图1 微型自复叠制系统示意图

冷凝蒸发器采用套管换热器形式，其结构简单、易于制作，套管换热器有效长度为1.85 m，外管和内管规格分别为Φ6.35 mm×0.80 mm和Φ3.00 mm×0.80 mm。气液分离器使用重力分离式，其形状为一个直径38 mm、高度60 mm、上下两端呈锥形的类圆柱体结构，竖直布置。冷凝器使用强迫对流风冷式冷凝器，散热器大小尺寸为120 mm×120 mm×33 mm，铜管直径为6.35 mm，翅片间距为1.5 mm，风机驱动电压为24 V。高温和低温节流装置均采用内径0.6 mm的毛细管，蒸发器盘管外径为4 mm，壁厚为 0.8 mm，有效长度为 1,650 mm，蒸发器盘管放置于一个具有保温功能的小箱体内。整套实验装置低温部分采用聚氨酯发泡法保温。

数据采集系统包括温度测量和压力测量。温度测点共 10个，采用铜-康铜热电偶，温度精度为±0.5 ℃，热电偶采用电焊机焊接，用锡箔纸将热电偶粘贴于铜管外壁，保证热电偶与测温点接触良好，温度误差包括热电偶精度和仪器测量误差，考虑安捷伦仪器精度对于T型热电偶的测量误差，温度测量总误差为 1.5 ℃；压力测点包括低压测点和高压测点，采用压力变送器进行测量，量程为0～2 MPa，精度 0.25%，输出信号 4 mA～20 mA，考虑安捷伦测量电流精度误差，计算得到排气压力的测量误差0.0060 MPa，吸气压力的测量误差0.0055 MPa。

2 实验数据及分析

2.1 系统的降温特性

实验系统采用的高沸点和低沸点工质分别是R600a和R1150，两者均为环保碳氢工质，GWP值低于非碳氢工质，具有良好的环境友好性。以R600a/R1150=6/4的配比充入制冷系统，实验中压缩机运行转速为 3,800 r/min，将系统放置于恒温实验室中，在32 ℃的设计环境温度下进行实验。如图2所示，系统开启80 min内，蒸发器小箱体内的温度快速降温至-56 ℃左右，80 min后，系统降温速率变慢，系统逐渐稳定，系统启动200 min后，小箱体内温度达到最低温度-65.5 ℃，之后保持稳定。

图2 小箱体内降温曲线

2.2 节流装置降温特性

高低温节流装置均采用毛细管节流的方式，毛细管作为节流装置，制作简单，性能可靠，但是调节能力很差。高温毛细管进出口温度变化曲线如图3所示。系统稳定后高温毛细管进口温度与冷凝器出口温度接近，在 37 ℃小幅波动，出口温度逐渐降低，最终稳定在6 ℃左右。图4记录了低温毛细管节流进出口温度变化情况。开机后，随着制冷剂的质量流量逐渐增大，高温毛细管快速降温，冷凝蒸发器提供的冷量增加，低沸点的混合工质逐渐冷凝后，低温毛细管的节流降温效果也趋于明显。系统运行80 min后，低温毛细管节流出口温度（即蒸发器进口温度）快速降到-69.6 ℃，随着系统逐渐稳定，降温趋于平缓，系统运行约 200 min，低温毛细管进口温度稳定在-40 ℃左右，出口温度稳定在-74 ℃左右，实际进出口温差约34 ℃。

图3 高温毛细管节流进出口温度随时间变化曲线

图4 低温毛细管节流进出口温度随时间变化曲线

2.3 压缩机运行特性

图5 和图6分别表示在设计温度下压缩机吸排气压力和温度的变化曲线，由图5可以看出，压缩机启动后的2 min，排气压力迅速升高至1.39 MPa，吸气压力降至 0.17 MPa，运行 20 min排气压力上升至最大1.53 MPa，吸气压力稍有上升；之后排气压力开始下降，吸气压力缓慢上升，系统运行230 min时，排气压力下降到1.27 MPa，吸气压力上升至0.22 MPa，之后吸排气压力保持动态稳定。从压缩机压比曲线可以看出，系统刚启动时压比迅速上升至8.5，之后波动下降，稳定时压比在5.8左右，最大压比在微型压缩机的承受范围之内，稳定时的压比也与设计压比6接近，满足压缩机运行要求。图6中，压缩机在启动后，排气温度迅速升高，在30 min之后有所下降，最高排气温度为95 ℃，稳定后排气温度在 86 ℃左右，吸气温度稳定在30 ℃左右，满足压缩机最高排气温度要求。

图5 压缩机吸排气压力变化曲线

图6 压缩机吸排气温度变化曲线

3 结论

本文通过搭建一套微型压缩机驱动的自动复叠制冷系统实验台，研究了使用R600a和R1150两种碳氢环保工质下系统的运行性能，得出以下结论：

1）微型转子式压缩机可用于自动复叠制冷系统，实验中没有发生压缩机过热报警等异常现象，压缩机压比和排气温度均可满足微型压缩机的使用要求，为进一步使用微型转子式压缩机实现更低的制冷温度提供了依据；

2）微型自动复叠制冷系统使用 R600a/R1150混合制冷剂，在6/4左右的质量比下，可以在32 ℃的环境温度中，达到-65.5 ℃的制冷温度并保持稳定，这为微型自动复叠制冷系统的商业应用打下了基础。